Оптимизация непрерывного литья воздушно-распыльным охлаждением: эффективность и качество

Воздушно-распыльное охлаждение в непрерывном литье

Современная непрерывная литейная машина (НЛМ) должна эффективно лить широкий спектр марок: от ультранизкоуглеродистых и низкоуглеродистых до высокоуглеродистых, низколегированных и качественных трубных. Стабильное получение высокого качества требует повышенной операционной и обслуживательной гибкости НЛМ для поддержания оптимальных параметров литья по каждой марке. Гибкость нужна не только элементам машины и системам управления, но и зоне вторичного охлаждения (Рис. 1) — более эффективному и надежному распыльному охлаждению. Зона вторичного охлаждения стала фокусом внимания из-за требований к качеству и производительности. НЛМ нуждаются в высокоэффективных системах распыльного охлаждения.

Водяное охлаждение ключево для извлечения тепла из затвердевающей стали — в кристаллизаторе и после выхода струйки. Характеризуется сложными кипячениями. Скорости извлечения тепла сильно зависят от температуры поверхности металла и быстро меняются при охлаждении струйки. Неконтролируемое охлаждение вызывает колебания температурных градиентов в затвердевающей оболочке, генерирует растяжные термические напряжения на фронте затвердевания → горячие трещины в продукте. Рис. 2 — схема вторичного охлаждения и зависимость теплового потока от температуры поверхности.

Распыльное охлаждение — единственная контролируемая часть вторичного охлаждения, поэтому главный фактор качества и производительности. Система использует сопла для распыления воды. Главная цель — охлаждение поверхности струйки. Расположение соплов и параметры процесса определяют характеристики охлаждения. Расположение задает зону охлаждения поверхности, параметры (давление, расход) — интенсивность и распределение. Теплоизвлечение — результат и расположения, и параметров.

Главный критерий выбора сопла — коэффициент теплопередачи, определяемый формой струи, распределением жидкости (плотностью) и объемом. Потенциалы оптимизации расположения: (i) выравнивание соплов, (ii) конструкция коллекторов и сегментных труб, (iii) оптимизация распределения жидкости. Для параметров процесса: (i) тип распыления (воздушно-распыльное или только вода), (ii) кинетика струи, (iii) потенциал распыления, (iv) коррелируемая эффективность охлаждения (коэф. теплопередачи).

Принцип воздушно-распыльного охлаждения

Воздушно-распыльное охлаждение: вода под давлением через специальные сопла формирует туман из ультрамелких капель (ср. размер ≤25 мкм = 0,025 мм). При высоком давлении — даже 5 мкм (0,005 мм). Огромная площадь поверхности от 1 литра воды. Капли быстро поглощают тепло и испаряются, унося энергию — охлаждение среды.

Относительная влажность воздуха критична: чем ниже, тем больше воды может испариться, тем больше тепла уходит. При водяном распылении на горячую сталь (>определенной температуры) образуется тонкий паровой слой между сталью и водой — «пленочное кипение» (Рис. 2). Исследования гидравлических соплов показывают: коэф. теплопередачи зависит от массового потока воды. Добавление воздуха создает сложную картину: воздух атомизирует воду, помогая охлаждению.

Явление Лейденфроста — явления при попадании малого объема жидкости на очень горячую поверхность. Названо в честь нем. врача Й.Г. Лейденфроста. Жидкость рядом с поверхностью, значительно горячее точки кипения, образует изолирующий паровой слой, препятствующий быстрому кипению. Точка Лейденфроста — начало стабильного пленочного кипения. Точка на кривой кипения, где тепловой поток минимален, поверхность полностью покрыта паровым одеялом. Теплопередача — проводимость и излучение через пар.

Высокая удельная плотность воды не единственный фактор коэф. теплопередачи. Соотношение воздух/вода тоже важно: сжатый воздух дает кинетическую энергию для проникновения капель через паровой слой над струйкой. Это важно выше 650 °C из-за явления Лейденфроста. Угол распыления и высота сопла тоже важны — определяют след струи (ширину и глубину) → плотность водяного потока и ударный импульс. Кроме того, отношение объема сжатого воздуха к расходу воды — еще один фактор. Охлаждение струйки включает кипение и формирование парового слоя. Сжатый воздух дает энергию для проникновения капель сквозь пар.

Воздушно-распыльные сопла

Исходный подход — однофазные (только вода) сопла. Технология развивалась, но многие машины все еще работают на водяном охлаждении с высокой продуктивностью и качеством. Сегодня НЛМ нуждаются в высокой гибкости по маркам и сечениям → высокая гибкость вторичного охлаждения → нужны воздушно-распыльные сопла.

Ключевые элементы современных соплов: камера смешения, удлинительная трубка, адаптеры входа воды и воздуха, их внутренняя геометрия и геометрия кончика. Точный расчет для высокого коэф. теплопередачи, стабильных углов распыления, равномерного распределения воды. Сопла не закупориваются, нет изнашиваемых деталей в камере смешения. Угол распыления стабилен в широком диапазоне давлений воды → постоянные равномерные характеристики.

Требования к соплу: (i) атомизация воды в мелкий туман для равномерного охлаждения, (ii) широкоугольный выброс для уменьшения числа соплов, (iii) увеличение выходного отверстия — меньше закупорок, больше диапазон расходов, (iv) размеры для монтажа между валами. Ключевые факторы эффективного теплопередачи: (i) плотность потока воздушно-распыльного тумана, (ii) скорость струи.

Желательны сопла с широким регулировочным диапазоном (turn down ratio) — минимизация типов соплов на НЛМ, упрощение обслуживания и склада.

Так как сопла работают со сжатым воздухом + вода, необходимые свободные сечения для того же расхода воды больше, чем у однофазных. Большие сечения меньше склонны к внутреннему закупорке от плохого качества воды → выше ресурс, меньше нагрузка на обслуживание. Рис. 3 и Таблица 1 — сравнение однофазных и воздушно-распыльных соплов.

Таблица 1. Сравнение воздушно-распыльного и однофазного охлаждения

№	Воздушно-распыльное	Однофазное
1	Регулировочный диапазон расхода воды макс. 30:1	Макс. 3,7:1
2	Большие сечения	Малые сечения
3	Минимальная склонность к закупорке	Высокая склонность
4	Постоянный угол распыления	Угол сильно меняется с давлением
5	Равномерное распределение жидкости	Неравномерное
6	Выше возможности извлечения тепла	Ограниченные возможности
7	Широкий диапазон скоростей литья для идеального затвердевания	Узкий диапазон
8	Широкий спектр марок на одной НЛМ	Ограничивает спектр марок
9	Меньший расход воды	Больший расход воды
10	Выше стоимость установки	Ниже стоимость установки

В системе вторичного охлаждения НЛМ сопла должны давать равномерное распределение воды по поверхности струйки на всем регулировочном диапазоне. Допуск ±15% от среднего достигается многосопловой компоновкой при давлении воды 1–7 кг/см². Рис. 4 — равномерность распределения при мин. и макс. режимах.

Главное преимущество — увеличенный регулировочный диапазон воды. Он равен отношению расхода при макс. рабочем давлении (обычно 7 кг/см²) к расходу при мин. (обычно 0,5 кг/см² для воздушно-распыльных и 1 кг/см² для однофазных). Сопла стабильны в этих диапазонах. Типичные диапазоны: воздушно-распыльные 10:1–30:1, однофазные 2,6:1–3,7:1. Увеличенный диапазон дает большую гибкость по изменению теплопередачи. Иллюстрация — Рис. 5.

Воздушно-распыльные сопла для литья блюмов и блюмов

При выборе охлаждения для блюмовой/блюмовой НЛМ плоскоструйные сопла обычно не лучший выбор, особенно при «промежуточных трещинах» (halfway cracks). Они образуются из-за повторного нагрева поверхности после прохождения зоны интенсивного теплоизвлечения под плоским струйком. Поверхность расширяет, натягает горячий слабый внутренний слой → трещина. Плоскоструйные сопла усиливают эффект.

Полноконические или овальные сопла дают мягкое охлаждение — теплоизвлечение на удлиненной площади. Это стандарты для однофазных систем, но долго не было адекватной воздушно-распыльной версии. Обычные полноконические воздушно-распыльные: нестабильное распыление, высокий расход воздуха, склонность к закупорке. Овальные с многощелевыми отверстиями — неравномерные образы, узкие щели легко закупориваются — лишь компромисс.

С развитием нового поколения полноконических и овальных воздушно-распыльных соплов стало возможно эффективно использовать их на блюмовых/блюмовых НЛМ. Компактный блоковый дизайн позволяет монтаж на горизонтальные коллекторы и вертикальные «банановые» коллекторы. Типичный полноконический сопла — Рис. 6.

Достигнуты диапазоны 1:14 при давлении воды 1–10 кг/см² при постоянном давлении воздуха 2 кг/см². Номинальные углы полного конуса 0–90°. Свободные проходы 2 мм — в 3 раза больше, чем раньше, для соплов с расходами 0,5 л/мин при 1 кг/см² и 5 л/мин при 7 кг/см² воды при постоянном воздухе 2 кг/см².

Таблица 2 — сравнение производительности воздушно-распыльного и распыльного охлаждения на некоторых японских заводах.

Таблица 2. Сравнение воздушно-распыльного и распыльного охлаждения на японских заводах

№	Завод	Закупорка		Обслуживание
		Воздушно-распыльное	Распыльное	Воздушно-распыльное	Распыльное
1	Завод A	0,89% за 15 дней*	1,5–19,8% за 15 дней	Чистка закупорок за 15 дней*	Чистка закупорок за 15 дней
2	Завод B	Небольшая	~20% за 5 мес.	Нет закупорок	Замена закупорок за 3–12 мес.
3	Завод C	Небольшая	Ходячие бруски	Замена 15 соплов за 2 мес.	Ходячие бруски
4	Завод D	Небольшая	~20% за 4 мес.	Проверка за 15 дней	Проверка каждый залив
	* Воздушно-впрыскивающий сопло

Преимущества воздушно-распыльного охлаждения на НЛМ

1. Снижение поверхностных и угловых трещин, центральной сегрегации за счет улучшения распределения жидкости и снижения расхода воды.
2. Повышение скоростей литья и производительности.
3. Расширение операционного окна НЛМ для расширенного спектра марок за счет широкого регулировочного диапазона и оптимизации соотношения воздух/вода.
4. Значительное снижение затрат на обслуживание и трубопроводы благодаря простому и жесткому монтажу соплов и распыльной трубопроводке.
5. Повышение эксплуатационной безопасности за счет идеального выравнивания соплов и трубопроводки, снижения закупорки.